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VIGILANCIA Y CONTROL AUTOMÁTICO DE LOS ECOSISTEMAS ACUÁTICOS

Ramón Bouza Deaño

Vigilancia y control automático de ecosistemas acuáticos. EOI. MPIGMA 2007-2008 Ramón Bouza Deaño Página 2 de 21

ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN. LOS ECOSISTE MAS ACUÁTICOS Y LA NECESIDAD DE

CONTROLARLOS.

2. VIGILANCIA AUTOMÁTICA DE ECOSISTEMAS ACUÁTICOS. AUTOMATIZACIÓN.

GENERALIDADES Y CLASIFICACIÓN.

3. SISTEMAS DE VIGILANCIA DE AGUAS CON CONTACTO FÍSICO CON LA

MUESTRA (SVACF).

3.1. Clasificación de los SVACF

3.2. Sistemas in-situ.

3.3. Sistemas on-line.

3.4. Diseño de redes de control de calidad de aguas

3.5. Ejemplos practicos.

4. TELEDETECCIÓN REMOTE SENSING

4.1. Introducción. Conceptos generales.

4.2. Historia de la Teledetección.

4.3. Principios y técnicas generales.

4.4. Aplicaciones de la teledetección en la hidrosfera.

4.5. Ejemplos Prácticos.

5. BIBLIOGRAFÍA


INTRODUCCIÓN. LOS ECOSISTE MAS ACUÁTICOS Y LA NECESIDAD

DE CONTROLARLOS.

Hacia 1950 los ecólogos elaboraron la noción científica de ecosistema, definiéndolo

como la unidad de estudio de la ecología. De acuerdo con tal definición, el ecosistema es una unidad delimitada espacial y temporalmente, integrada por un lado, por los organismos vivos y el medio en que éstos se desarrollan, y por otro, por las interacciones de los organismos entre sí y con el medio. En otras palabras, el ecosistema es una unidad formada por factores bióticos (o integrantes vivos como los vegetales y los animales) y abióticos (componentes que carecen de vida, como por ejemplo los minerales y el agua), en la que existen interacciones vitales, fluye la energía y circula la materia.

Figura 1. Esquema de un ecosistema acuático

Uno de los tipos de ecosistema existentes es el acuático, constituido por aquellos que se dan en medio acuosos como son charcas, lagos, ríos, mares y océanos, y en definitiva en cualquier masa de agua. De hecho, los ecologistas a menudo estudian las gotas del agua - tomado de lagos y ríos - en el laboratorio para entender como estos ecosistemas más grandes acuáticos trabajan.

El ecosistema acuático sano es aquel donde no se observan perturbaciones humanas que hayan distorsionado su funcionamiento natural (los ciclos nutritivos, etc…), ni su estructura (la composición de sus habitantes, etc…), mientras que por el contrario, ecosistemas acuáticos degradados son aquellos que han sido alterados por la mano del hombre.

Estas perturbaciones pueden ser de distintos tipos: físicas (la inyección de agua caliente de modo anormal en una corriente), químicas (la introducción de desechos tóxicos en concentraciones dañosas a los organismos), o biológicas (la introducción y la propagación de animal no natal o la especie de planta). Los síntomas más comunes observados sobre un detrimento de la salud de los ecosistemas acuáticos son:

• La pérdida de especies, por el deterioro del ecosistema o por el desplazamiento de

las mimas debido a la presión de otras especies introducidas por el ser humano.


• La proliferación acelerada de organismos. Un ejemplo son los boom de algas causadas por un exceso de fósforo y compuestos de nitrógeno en el agua (eutrofización).

• Las incidencias aumentadas de tumores o deformidades en animales, debidas principalmente al contacto con excesivas cantidades de agentes tumorales que llegan a las aguas.

• Un cambio de propiedades químicas del medio. Quizás uno del los más significativos ha sido una reducción de pH en el agua causada por la lluvia ácida.

• La presencia de los ciertos organismos que indican condiciones insanitarias. Las

bacterias del género Coliform son un claro signo de que el medipo puede contener


otros microorganismos que causan una amplia variedad de enfermedades humanas como la diarrea, la tifoidea, y el cólera.

Muchos de los síntomas del deterioro de la salud de ecosistema se dan de forma simultánea, así por ejemplo, el aumento de la acidez de un lago puede matar la cierta especie, así permitiendo a la proliferación temporal de especie más tolerante de acidez.

¿Por qué la salud de ecosistema acuático es importante?. Nuestra salud y muchas de nuestras actividades son dependientes de la salud de ecosistemas acuáticos. La mayor parte del agua que bebemos es tomada de lagos o ríos. Si el lago o el sistema del río son malsanos, el agua puede ser insegura para beber o inadecuado para la industria, la agricultura, o la reconstrucción - aún después del tratamiento.

Es por ello que el ser humano tiene la necesidad de conocer el estado y la evolución de los ecosistemas acuáticos existentes en el plana, con objeto de tener información sobre su estado, y prevenir o frenar su deterioro, surgiendo así la necesidad de vigilancia de estos ecosistemas, mediante la medida de los parámetros físicos, químicos y biológicos que definen los mismos.

Para ello, son muy diversos los sistemas de vigilancia que pueden ser implementados en

ecosistemas acuáticos con objeto de monitorizar sus características, siendo objeto de esta ponencia aquellos que pueden funcionar de una forma autómatica, y que se describen a continuación.

1. VIGILANCIA AUTOMÁTICA DE ECOSISTEMAS ACUÁTICOS. AUTOMATIZACIÓN. GENERALIDADES Y CLASIFICACIÓN.

Existen hoy en día diversos sistemas de vigilancia con los que se puede monitorizar

la calidad de las aguas, siendo el objeto de la presente ponencia los de tipo automático, si bien sería necesario definir en primer lugar el término automático.

Según la el diccionario de la Real Academia Española de la Lengua, existen varias acepciones para la palabra automático:


En nuestro caso, la segunda acepción es la correcta, ya que en instrumentación

analítica se entiende por automático aquello que realiza determinadas operaciones de forma autónoma, sin intervención humana, existiendo diversos grados de automatización.

Por todo ello, un sistema de vigilancia automático de las aguas será aquel que funciona (en todo o en parte) de forma autónoma, sin la intervención humana.

Basándonos en esta definición, y en función de las posibilidades existentes en la actualidad, los sistemas automáticos de control de aguas se pueden dividir en dos grades grupos:

• Sistemas con contacto físico con la muestra. Son aquellos en los que el sistema de medida se encuentra en contacto físico con la muestra de agua objeto de análisis.

• Sistemas sin contacto físico con la muestra (teledetección – remote sensign).

Son aquellos sistemas que utilizan propiedades del espectro electromagnético para medir las características de una masa de agua, sin necesidad de tener contacto con la misma.

En los siguientes apartados se definen y estudian cada uno de estos sistemas.

2. SISTEMAS DE VIGILANCIA DE AGUAS CON CONTACTO FÍSICO CON LA MUESTRA (SVACF).

La mayoría de los métodos de análisis de calidad de aguas requieren que el equipo analítico de medida se encuentre en contacto físico con la muestra de agua a analizar, siendo este tipo de sistemas los más baratos y utilizados. En los siguientes párrafos se definen los aspectos más relevantes de este tipo de sistemas.

2.1. Clasificación de los SVACF

Los sistemas de vigilancia en los que se da un contacto físico con la muestra se pueden dividir en dos grupos en función de su posición relativa con la masa de agua a medir:

automático, ca.

1. adj. Perteneciente o relativo al autómata.

2. adj. Dicho de un mecanismo: Que funciona en todo o en parte por sí solo. U. t. c. s.

3. adj. Que sigue a determinadas circunstancias de un modo inmediato y la mayoría de las veces indefectible. Después de su mala gestión, el cese fue automático

4. adj. Maquinal o indeliberado.

5. m. Especie de corchete que se cierra sujetando el macho con los dientes de la hembra, que actúan como un resorte.

6. f. Ciencia que trata de sustituir en un proceso el operador humano por dispositivos mecánicos o electrónicos.


• In situ: aquellos en los que el equipo de medida se encuentra introducido en el

medio acuático.

• On-line: aquellos en los que se toma una porción del medio acuático y se lleva al

equipo de medida, situado fuera del mismo.

Se describen a continuación con detalle cada uno de estos sistemas.


2.2. Sistemas in-situ.

Los sistemas in-situ implican el uso de equipos de análisis directamente sumergidos en el medio acuático. Los datos son tomados automáticamente, y almacenados y/o posteriormente enviados, o transmitidos telemáticamente al laboratorio para su interpretación.

Los accesorios que puede presentar un sistema automático in-situ pueden ser variables en función de las necesidades de cada punto de análisis. De forma general, un sistema mínimo estaría compuesto por:

• Sensores. Miden los distintos parámetros analíticos del agua (pH, conductividad

eléctrica, oxígeno disuelto, temperatura, turbidez, clorofila, amonio, nitratos, etc…). • Datalogger. Registra y almacena los datos obtenidos por los sensores.

y como posibles accesorios que pueden implementarse:

• Sistema de comunicaciones. Envía los datos obtendidos a un ordenador, e incluso puede permitir el envío de ordenes desde un centro de proceso (telemando y telecontrol).

• Estación meteorológica. Mide datos meteorológicos del entorno del punto de control

(temperatura ambiente, dirección y velocidad del aire, radiación solar, etc…).

• Suministro eléctrico contínuo. Mantiene un suministro de energía contínua al sistema (paneles solares).

• Automuestreador. Sistema capaz de tomar, almacenar y conservar una muestra de

agua hasta su recogida y envío al laboratorio. Puede funcionar de forma cíclica o por órdenes.

• Otros. En función de las necesidades es posible implementar cualquier otro sistema

necesario, como una señal para abrir o cerrar una compuerta, modificar la altura de los sensores, etc…


Figura 2. Ejemplo de estación in-situ.

Un ejemplo típico de este tipo de sistemas son las sondas

multiparamétricas que utilizan generalmente técnicas espectroscópicas y electroquímicas para la adquisición de datos en contínuo (pH, temperatura, conductividad eléctrica, oxígeno disuelto, turbidez, clorofila, etc…), siendo muy similares, y en algunos casos incluso los mismos, que se utilizan en un laboratorio convencional de análisis de aguas. En otros casos se han desarrollado pequeñas estaciones en vehículos submarinos autónomos, como el desarrollado por el Mote Marine Laboratory, equipado con un discriminador óptico de fitoplacton, mediane espectrofotometría ultravioleta visible. Otro ejemplo, este caso autoabastecido mediante paneles solares, desarrollado por la National Science Foundation (NSF) in Arlington, Va.

Existen también sistemas de alerta temprana utilizando parámetros biológicos, conocidos como biosensores, utilizados principalmente en sitios muy sensibles a cambios en la calidad del agua, y conectados a un sistema de alarma (como la prevención de una importante entrada de metales en una planta de tratamiento de aguas potables). Estos sistemas están basados en la monitorización de determinadas características de algún animal contenido en un pequeño acuario (pez, mejillón, etc…).


2.3. Sistemas on-line. En este caso, los equipos analíticos se encuentran localizados en una caseta cerca de

la masa de agua monitorizada, en cuya interior de un pequeño laboratorio completamente automático, existiendo un sistema mecánico que toma la muestra, la lleva hasta la caseta sin alterarla, y posteriormente se distribuye entre los distintos equipos de medida, pudiéndose realizar los análisis de forma contínua o discreta en función de la instrumentación analítica existente.

Los sistemas on-line pueden presentar diversos grados de complejidad, si bien esta suele ser mayor que la de los sistemas in-situ. En la siguiente figura se muestra un esquema de genérico de la configuración de una estación compleja perteneciente a la red de alerta temprana del sistema SAICA (MMA).


Las partes que componen una estación de este tipo son similares a las descritas en los sistemas in-situ, si bien hay que añadir un sistema de captación y bombeo de agua desde la masa objeto de estudio hasta la estación que sea capaz de transportar una muestra de agua de forma contínua o discreta pero siempre sin alterar sus características. No obstante, la complejidad que presentan los sistemas on-line puede llegar a ser muy superior a la de los sistemas in-situ, ya que aunque la mayoría de los sistemas continuos están basados en método ópticos (UV-Vis, IR o fluorescencia) mediante celdas de reacción o test biológicos, pueden implementarse incluso métodos cromatográficos (SAMOS systems) o sistemas biológicos de alerta temprana como toxicómetros de Daphnia o algas, que necesitan de unos equipos auxiliares como suministro de gases, agua purificada, etc… Las estaciones más complejas pueden llegar incluso a incluir un autómata programable que controle todos los sistemas y datos e incluso tenga capacidad de tomar “decisiones” que afecten al funcionamiento de la estación, como la parada de la misma en caso de que no se detecte nivel de agua suficiente para el correcto funcionamiento del sistema. En función de las necesidades de cada red de datos el diseño de las estaciones puede variar significativamente. Así el Instituto de Investigación Marina de Florida desarrolló en el año 2000 un barco plataforma que integra una estación automática de calidad de aguas y meteorología, y que se encarga del muestreo y análisis contínuo y en tiempo real del estuario del río Callosahatchee. (http://research.myfwc.com/features/view_article.asp?id=24018)


2.4. Diseño de redes de control de calidad de aguas De forma general los sistemas de vigilancia descritos anteriormente no se encuentran de forma puntual, sino formando parte de una red de vigilancia, con diversos objetivos. A la hora de crear una red de este tipo, por pequeña o grande que esta sea, es necesario tener en cuenta una serie de factores para que la importante inversión a realizar alcance los objetivos deseados. Se adjunta en el Anexo, dos artículos periodísticos que resumen el state of art sobre el diseño de programas de monitorización acuática, y el diseño de redes de vigilancia en aguas dulces (publicado muy recientemente).

2.5. Ejemplos prácticos. Sistema SAICA (C.H.Guadalquivir). http://www.chguadalquivir.es/chg/opencms/chg-web/menu_izquierda/la_cuenca/informacion-medioambiental/sistema_saica/contenido.html Sistema SAICA (C.H.Ebro) http://oph.chebro.es/DOCUMENTACION/Calidad/CalidadDeAguas.html Sistema SAICA (C.H. Segura) http://www.chsegura.es/chs/cuenca/redesdecontrol/SAICA/ Automated Water Quality Monitoring Program (Canada) http://www.waterquality.ec.gc.ca/EN/navigation/3188/3191/3207.htm Marine Water Monitoring (New Jersey) http://www.nj.gov/dep/bmw/sensorhome.htm Center of Applied Aquatic Ecology. North Carolina State University. http://www.ncsu.edu/wq/RTRM/index.html Chesapeake Bay Orbserving System http://www.cbos.org/ MYSound monitoring-real time observations. University of Connecticut http://www.mysound.uconn.edu/ Hydrometeorologial Automated Data System. NOAA http://www.nws.noaa.gov/oh/hads/ National Data Buoy Center. NOAA http://www.ndbc.noaa.gov/

Robert O. Strobl and Paul D. Robillard Network design for water quality monitoring of surface freshwater: A review

Journal of Environmental Management (2007), doi:10.1016/j.jenvman.2007.03.001

William Dixon and Barry Chiswell Review of aquatic monitoring program design

Water Research, Vol. 30, No. 9, pp. 1935-1948, 1996.


3. TELEDETECCIÓN REMOTE SENSING

3.1. Introducción. Conceptos generales.

El término "teledetección" es la adaptación al español de la expresión anglosajona remote sensing comenzada a utilizar durante la década de los sesenta para nombrar la nueva técnica de adquisición de información nacida con la puesta en órbita de los primeros satélites de observación de la Tierra. Todavía hoy coexisten traducciones más literales del mismo concepto: sensores remotos , percepción remota , etc. Sin embargo, el término teledetección es sin duda el que más fortuna ha hecho, consecuencia lógica de su propia etimología. Se trata de observar un objeto -es decir, medir determinadas características del mismo- sin mediar contacto físico con él.

La forma de adquirir cierto conocimiento sobre las propiedades de un cuerpo sin tocarlo es detectar y medir las perturbaciones que induce en su entorno y que se propagan en el espacio. Entre todas esas alteraciones, la teledetección, en un sentido restringido, se refiere a las técnicas de adquisición de información mediante la medida del campo electromagnético inducido por el objeto observado.

Establecida la definición del término, realizar una aproximación más concreta requiere mencionar el modo de utilización de la técnica. Ello ha originado que se hable de teledetección desde baja altura (plataformas aerotransportadas) y desde el espacio (sensores orbitales a bordo de satélites). Por antonomasia, la teledetección sugiere esta última modalidad, al menos en el dominio hispanohablante. Sin embargo, es frecuente encontrar en textos británicos y norteamericanos la apelación a la fotointerpretación e incluso a la fotogrametría como una modalidad más de la teledetección (Barrett y Curtis, 1995), lo que ciertamente es en un sentido estricto. También se produce la situación inversa: es frecuente encontrar bajo el dominio de la fotogrametría digital la utilización de pares estereoscópicos de imágenes de satélite para generar modelos digitales de elevación. Sin embargo, la entidad que en sí mismas tienen fotointerpretación y fotogrametría, su arraigo, su tradición y el cuerpo de doctrina que han ido desarrollado con el tiempo hace que en castellano se las llame por su propio nombre, sin anidarlas dentro de la teledetección, mientras ésta por su cuenta consolida la posición que desde el principio le corresponde. Así pues, la teledetección, en general, puede decirse que monopoliza la adquisición de información desde satélite, y sólo desde avión cuando se utilizan sensores réplica de los utilizados en órbita. Sin embargo también en este punto se difuminan los límites. Lo anterior es válido cuando se realizan medidas en el espectro solar. Pero la dicotomía satélite-avión vuelve a desaparecer en el dominio de las microondas: la utilización del radar para la formación de imágenes -en incluso para otros fines como la detección de tornados, por ejemplo- viene siendo dominio de la teledetección, con independencia de la plataforma portadora.

Vista la forma de adquirir la información, la teledetección sin embargo, tal como está admitido ampliamente en los círculos profesionales y científicos, se orienta fundamentalmente a la explotación de dicha información, ocupando sólo una parte del segmento terrestre de las actividades generadas alrededor de la explotación de los datos remotos. Deja, pues, de lado otras tareas imprescindibles para el proyecto en su conjunto: por ejemplo a la Ingeniería Electrónica y de Telecomunicaciones el diseño de las plataformas y a la Aeronáutica su puesta en órbita en estado de operatividad. Acotado así el campo para la teledetección, ésta ha de ocuparse de extraer información útil a partir de los datos digitales adquiridos por la plataforma de observación y enviados a las estaciones terrestres de seguimiento y recepción.


3.2. Historia de la Teledetección. E desarrollo temprano de la teledetección como campo científico está estrechamente

ligado al desarrollo de la fotografía (Elachi, 1987). Las primeras imágenes indelebles producidas por acción de la luz directa fueron las llamadas heliografías , efectuadas por el francés Nièpce en 1822. Atendiendo a la formación de imágenes, pueden ser consideradas como las precursoras de cualquier sistema de percepción remota. El también francés Daguerre mejoró el procedimiento en 1839 que, a pesar de todo, seguía sin ser suficientemente operativo. Por esta razón, durante la siguiente década fue superado por el de Talbot, cuyo proceso negativo-positivo estableció las bases de la moderna fotografía (Grahan y Read, 1986).

Si se toma en consideración el antecedente de la fotografía aérea como precedente directo de la teledetección, podrá establecerse el inicio de esta técnica en el año 1858, en el que, desde la canasta de un globo aerostático, Gaspar F. Tournachon ("Nadar") tomó las primeras fotografías de París (Carré, 1971). El desarrollo posterior de la aviación fue rápidamente aprovechado por la fotografía como eficaz medio de extensión de la experiencia que suponía volar en esa época. La primera fotografía desde un avión fue tomada por W. Wright en 1909, si bien la primera cámara aérea como tal no se desarrolla hasta la Primera Guerra Mundial , en 1915. La mejora de las emulsiones empleadas, el perfeccionamiento de las cámaras y la investigación sobre las propias plataformas de vuelo permitieron durante la Segunda Guerra Mundial el asentamiento de la fotografía aérea y el nacimiento de la fotointerpretación (López-Cuervo, 1980).

Durante la década de los 50 se desarrollan los primeros satélites de observación como medio de salvaguarda de la paz en pleno período de guerra fría entre los Estados Unidos de Norteamérica y la antigua URSS. El lanzamiento del Sputnik en 1957 por parte de la Unión Soviética marcó el hito. De forma casi inmediata los sectores civiles reaccionaron apostando por la utilización pacífica de la información proporcionada por los sensores orbitales. Fruto de ello fue la primera generación de satélites de observación meteorológica TIROS ( Television and InfraRed Observation Satellite ), de carácter experimental, cuya primera unidad fue lanzada por los Estados Unidos el 1 de Abril de 1960 (Rao et al, 1990). A partir del décimo satélite de la serie en 1965, el programa fue asumido por la ESSA ( Environmental Science Services Administration ), poniéndose en órbita los primeros satélites meteorológicos auténticamente operativos, desde el ESSA-1, en 1966, hasta el ESSA-9, en 1969. A esta serie le siguió la muy conocida NOAA ( National Oceanic and Atmospheric Administration ), el primero de cuyos satélites tomó el nombre de ITOS-1 ( Improved TIROS Operational System ). Este programa de observación meteorológica sigue vigente con la puesta en servicio del NOAA-14. Paralelamente a la serie NOAA , la antigua Unión Soviética puso en marcha su proyecto METEOR de satélites heliosincrónicos con características similares a los citados.

Simultáneamente a estos programas, la NASA desarrolló otros de índole más científica, como el proyecto NIMBUS, que llegó a poner en órbita siete satélites entre 1964 y 1978, o el geoestacionario ATS, que generó seis satélites entre 1966 y 1974.

La necesidad de establecer un sistema de observación meteorológica mundial, hoy denominado WWW ( World Weather Watch ), fomentó el desarrollo de los satélites geoestacionarios civiles a los que pertenecen el norteamericano GOES, el ruso GOMS y el europeo Meteosat, del que ya se han puesto en


órbita varios de su segunda generación (MSG).

Si bien son evidentes los beneficios obtenidos con la explotación de la información proporcionada por los satélites meteorológicos, la teledetección ha alcanzado una mayor popularidad a raíz de la puesta en marcha de programas de observación de la Tierra y de evaluación de los recursos naturales (Chuvieco, 1995). Entre ellos, quizá el más destacado ha sido -y es aún en la actualidad- el programa Landsat, que puso en órbita su primer satélite en 1972 con el nombre ERTS ( Resource Technollogy Satellite ), siendo continuado con el Landsat-2, y así sucesivamente hasta el Landsat-5, operativo en la actualidad. De los instrumentos que lleva a bordo, el sensor TM ( Thematic Mapper ) proporciona unos datos de gran resolución espectral, por cuya razón es el que ha alcanzado mayor demanda.

Con fines más cartográficos, el consorcio franco-belga-sueco SPOT desarrolló una familia de satélites de muy alta resolución espacial que, desde 1986, ha puesto en órbita tres satélites que están gozando de una gran aceptación, especialmente cuando los datos de su sensor HRV son explotados en combinación con los proporcionados por Landsat-TM. En esta misma línea, la irrupción en los últimos años en el ámbito civil de los datos procedentes de satélites de muy alta resolución espacial, como Ikonos, QuickBird y otros, con resoluciones por debajo del metro (60 cm en el caso de QuickBird), viene a satisfacer las demandas de los profesionales sobre aplicaciones de gran precisión geométrica, hasta entonces pertenecientes en exclusiva a la esfera militar.

La escena de la teledetección ha empezado a completarse con la explotación de datos en regiones del espectro electromagnético hasta entonces no exploradas desde satélites. La extensión al dominio de las microondas mediante la incorporación de sistemas activos como el radar en sus múltiples versiones, como sistemas formadores de imágenes, como dispersómetros o como altímetros, ha proporcionado un nuevo auge a la teledetección.

La utilización del radar se remonta a la Segunda Guerra Mundial , con la finalidad casi exclusiva de detectar aviones enemigos en vuelo. Sin embargo, posteriormente en la esfera civil, su eficaz aprovechamiento en modo lateral sobre aviones estimuló la investigación de nuevos procedimientos, con el fin de lograr la resolución espacial requerida para utilizarlo a bordo de satélites. De este modo, se desarrollaron los sistemas de radar de apertura sintética SAR ( Synthetic Aperture Radar ), de los cuales constituye un exponente muy importante el SAR del satélite ERS ( European Remote Sensing ) de la Agencia Espacial Europea , en cuyo programa participa España, con dos satélites en órbita, el primero lanzado en Julio de 1991 y el segundo en Abril de 1995, de cuya operación en tándem durante los últimos años se han obtenido resultados interferométricos muy interesantes y prometedores. Otro satélite expresamente diseñado para el radar es el canadiense Radarsat, cuyos primeros datos están comenzando a ser explotados en los últimos meses.

Junto con el incremento de la resolución espacial y de la utilización de los datos radar, el desarrollo de las técnicas de interpretación hiperespectral es otro de los campos de investigación actual en teledetección. Es de suponer que una de las vías naturales de evolución de las plataformas espaciales será sin duda la incorporación de sensores de mayor resolución espectral, como de hecho ya se utiliza en teledetección aérea. A partir de ahí se comenzará a sustituir el tradicional análisis multiespectral, basado en los datos de a lo sumo cinco o seis bandas, por el hiperespectral, que habrá de manejar datos de varios centenares de bandas simultáneamente. Ya existen satélites con sensores hiperespectrales en órbita, como Hypeion, montado sobre el satélite experimental EO-1.

La explotación de los datos que proporcionan los satélites no habría sido posible sin el desarrollo simultáneo de los sistemas de análisis de imagen. La incorporación de nuevas posibilidades de tratamiento y el robustecimiento de los procesos que ya estaban vigentes, unido todo ello a la simplificación de los procedimientos, la amigabilidad de los programas informáticos y la cada vez mayor potencia y rapidez de las plataformas de proceso están permitiendo abordar problemas más complejos. Por otro lado, los datos espaciales procedentes de imágenes de satélite constituyen volúmenes de información muy


considerables, particularmente cuando los estudios se desarrollan sobre regiones geográficas extensas. La herramienta capaz de gestionar eficazmente ese tipo de información son los sistemas de información geográfica (SIG) de carácter teselar o raster . Ha sido precisamente con el desarrollo de los SIG a partir de cuando ha sido posible la gestión útil de la teledetección en muchos campos hasta entonces inexplorados.

3.3. Principios y técnicas generales.

Los sistemas de teledetección se caracterizan por la conjunción de varios elementos, a saber: una fuente de radiación electromagnética (A), la interacción de dicha radiación con la superficie observada (C) -e inevitablemente con la atmósfera interpuesta (B)- la recepción de la señal de respuesta en el sensor a bordo del satélite o avión (D), la transmisión a Tierra de los datos (E) y el procesamiento final de los mismos (F, G). Dependiendo de si la fuente emisora de radiación es el propio sistema (orbital o aerotransportado) o no se habla de teledetección activa (caso de los altímetros y del radar de apertura sintética) o pasiva (caso de la teledetección óptico electrónica o de los radiómetros de microondas, por ejemplo.


Existe una limitación en cuanto al rango de longitudes de onda susceptibles de ser exploradas desde sensores orbitales. Los gases y aerosoles atmosféricos presentan numerosas bandas de absorción que sustraen energía radiante en determinados intervalos espectrales. Lógicamente en ellos la atmósfera resulta opaca. Pero en cambio en los restantes sí que resulta diáfana. Esta son las llamadas "ventanas" de observación, para las cuales se diseñan los sensores. Concretamente, la superficie terrestre es casi absolutamente invisible desde fuera de la atmósfera en el ultravioleta, merced a la eficaz absorción encomendada al ozono y al oxígeno atómico y molecular. En cambio es observable con bastante facilidad en el espectro visible (solamente con un efecto de absorción y de dispersión parcial, derivado del espesor óptico, esto es, de la turbidez atmosférica), en el infrarrojo próximo, en ciertas regiones del infrarrojo medio, en cuya región espectral el vapor de agua presenta algunas bandas de absorción y en una pequeña fracción del infrarrojo lejano, justo aquélla en la que el anhídrido carbónico no absorbe radiación. En la región de las microondas y de las ondas de radio, al ser la atmósfera absolutamente transparente, incluso con cubiertas espesas de nubosidad, la teledetección es posible si se "refuerza" artificialmente la radiación natural en este intervalo espectral. Es la caso de los sensores de radar, los cuales, gracias a esta peculiaridad atmosférica y la generación a bordo de la radiación cuya retrodispersicón será medida, pueden observar superficies normalmente ocultas a la teledetección óptica, como son las regiones tropicales y ecuatoriales del planeta, incluso de noche.

La identificación de superficies es posible en el ámbito de la teledetección convencional gracias a la construcción de la signatura espectral de cada celda de terreno explorada. La signatura o firma espectral es la respuesta (en términos de radiancia o de reflectancia) de dicha superficie en cada intervalo de longitudes de onda y es característica de cada composición química. En consecuencia es posible llegar a discernir entre tipos de ocupación de suelo a partir de la regeneración de la signatura espectral. Sin embargo, esto solamente es posible cuando el rastreo de las respuestas es muy minucioso, es decir, se realizan numerosas medidas de reflectancia en muchos canales o bandas espectrales, a su vez de una pequeña anchura espectral. Es lo que se denomina teledetección hiperespectral. Cuando, en cambio, el rastreo de la signatura por muestreo simplificado, con un menor número de bandas (habitualmente menor que diez) lo que se consigue es un "diagrama de signaturas" que también permite la identificación, aunque con un menor grado de fiabilidad, si bien con un gran beneficio en la economía del proceso y almacenamiento de datos.


Dentro del procesamiento de las imágenes cobra una gran relevancia el hecho de que la imagen de por sí no constituye un documento cartográfico. Existen numerosas anomalías en la adquisición y transmisión de la información, a las cuales se les suma el hecho de que la imagen digital no es una proyección ortogonal del espacio objeto. En teledetección óptica, a diferencia de lo que ocurre en el ámbito de la fotogrametría, la imagen no es tampoco una proyección cónica sino, cilíndrica como consecuencia de la adquisición sucesiva de líneas completas. Ello conduce deformaciones de la geometría proporcionales a la altura del punto (celda) observado con respecto a un plano de comparación establecido y a la distancia nadiral de dicho punto. De otra parte, en los casos en los que la imagen es adquirida por sensores de barrido (escáneres) que exploran la línea celda a celda sucesivamente, también se produce un escalonamiento en las posiciones debidas al tiempo de barrido de la línea. En resumen, es necesaria una minuciosa labor de corrección geométrica, que habitualmente se aprovecha para dotar de coordenadas a la imagen (georreferenciación), para obtener como resultado un documento auténticamente cartográfico.

Existen además muchos otros procedimientos y técnicas de uso común en procesamiento de imágenes que permiten obtener una mejor distribución de luminancia (correcciones radiométricas) y que dotan a la imagen de una mayor definición en los contornos y, en general, en todos sus rasgos lineales (operaciones de filtrado, bien en el dominio espacial, bien el de la frecuencia).

3.4. Aplicaciones de la teledetección en la hidrosfera.

Dentro del dominio de la hidrosfera, destacan el análisis de las características físicas de los mares y los océanos, tales como la temperatura superficial, las corrientes de agua o el oleaje, las características químicas como la salinidad, la turbidez o el contenido en contaminantes y las biológicas como la localización de pesquerías o el análisis del contenido en plancton. Pero también son de aplicación los estudios realizados sobre las aguas continentales. Entre éstos destacan la medición de superficies nevadas y la profundidad alcanzada por la nieve, en orden a evaluar la magnitud de la acumulación de agua y así predecir el deshielo, la medida de la evapotranspiración de una zona o la inferencia de acuíferos subterráneos.


La investigación aplicada a los SIG, los rotundos y espectaculares éxitos obtenidos a partir de las imágenes radar, las posibilidades de mejorar su interpretación y su integración con la información procedente de sensores de gran resolución espacial en el espectro solar y el análisis hiperespectral están indicando con toda seguridad los derroteros por los que se encaminará la teledetección en la próxima década, la primera de un nuevo milenio.

3.5. Ejemplos Prácticos. Se facilitan en el Anexo dos artículos periodísticos que muestran sendas

aplicaciones de la teledetección en el campo de la hidrosfera.

Kimberly J.W. Hyde, John E. O’Reilly, Candace A. Oviatt Validation of SeaWiFS chlorophyll a in Massachusetts Bay

Continental Shelf Research 27 (2007) 1677-1691

Zhiqiang Chen, Chuanmin Hu, Frank Muller-Karger Monitoring turbidity in Tampa Bay using MODIS/Aqua 250-m imagery

Remote Sensing of Environment 109 (2007), 207-220


4. BIBLIOGRAFÍA Nilgun B. Harmanciogammalu, O. Fistikglu, S.D. Ozkul, V.P. Singh, M.N. Alpaslan. Water Quality Monitoring Network Design (Water Science and Technology Library). Kluwer Academic Publishers, 1999. The Netherlands. ISBN 0-7923-5506-7. WHO. Water quality monitoring: A practical guide to the design and implementation of freshwater quality studies and monitoring programmes. Edited by J. Bartram and R. Balance. http://www.who.int/water_sanitation_health/resourcesquality/wqmonitor/en/index.html. Robert C. Ward, Jim c. Loftis, Graham b. McBride. Design of water quality monitoring systems. Wiley & Sons 1990. ISBN 978-0-471-28388-1. Fleischamann, N.; Langergraber, G.H.J.H. Automation in Water Quality Monitoring: Vol 47: Selected Proceedings of the Iwa International Conference on Automation in Water Quality Monitoring. 2003. John R. Jensen. Remote Sensing of the Environment: An Earth Resource Perspective (Hardcover) R. Greenwood, G.A. Mills, B. Roig. Introduction to emerging tools and their use in water monitoring. Trends in Analytical Chemistry, Vol. 26. No. 4, 2007. Howard B. Glasgow, JoAnn M. Burkholder, Robert E. Redd, Alan J. Lewitus, Joseph E. Kleinman. Real-time remote monitoring of water quality: a review of current applications, and advancements in sensor, telemetry, and computing technologies. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology 300 (2004), 409-448. William Dixon, Gordon K. Smyth, Barry Chiswell. Optimized Selection of River Sampling Sites. Water Research (1999), Vol 3. N.4, 971-978. Timothy F. Donato, Victor V. Klemas. Remote Sensing and Modeling Application for Coastal Resource Mangement. Geocarto International (2001), 16:2; 25-32. Barrett, E.C. & Curtis, L.F. (1995). Introduction to Environmental Remote Sensing . Chapman & Hall. Londres Carré, F. (1971). Lectura y Explotación de las Fotografías Aéreas . Paraninfo. Madrid. Chuvieco, E. (1995). Fundamentos de Teledetección Espacial . Rialp. Madrid. Elachi, C. (1987) . Introduction to the Physics and Techniques of Remote Sensing . John Wiley & Sons. Nueva York. Graham, R. & Read, R.E. (1986). Manual de Fotografía Aérea . Omega. Barcelona. López-Cuervo, S. (1980) . Fotogrametría . Paraninfo. Madrid. Pinilla, C. (1995). Elementos de Teledetección . Ra-Ma. Madrid. Rao, P.K. et al. (1990). Wheather Satellites: Systems, Data and Environmental Applications. American Meteorological Society. Norwood.


ANEXO.-

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